WO1989008940A1 - Process and circuit versions for charging accumulators - Google Patents

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WO1989008940A1
WO1989008940A1 PCT/AT1989/000027 AT8900027W WO8908940A1 WO 1989008940 A1 WO1989008940 A1 WO 1989008940A1 AT 8900027 W AT8900027 W AT 8900027W WO 8908940 A1 WO8908940 A1 WO 8908940A1
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charging
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voltage
current
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Gerhard Wiesspeiner
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Gerhard Wiesspeiner
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/007Regulation of charging or discharging current or voltage
    • H02J7/00712Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters
    • H02J7/00714Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters in response to battery charging or discharging current
    • H02J7/00718Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters in response to battery charging or discharging current in response to charge current gradient
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    • H02J7/007182Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters in response to battery voltage
    • H02J7/007184Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters in response to battery voltage in response to battery voltage gradient

Definitions

  • the invention relates to a method for charging accumulators and possible circuit variants for its implementation.
  • the new invention differs from known methods in that it is not a specific value, but rather the time course of one or more charging parameters (voltage, current, internal resistance) that is detected and evaluated.
  • the voltage curve shows an increase before full charge is reached and then a decrease afterwards. A characteristic maximum arises. This fact was well known, but so far it has not been given the correct meaning. For example, in / 2 / circuit variants are presented that interrupt the charging process when the battery voltage drops during constant current charging.
  • the maximum is caused by the electrode overvoltage during gassing.
  • the subsequent voltage drop is caused by excess temperature and pressure and does not occur with open cells.
  • the (current-dependent) voltage has reached a maximum end value that no longer increases (maximum) even through long-term energy supply. To protect against overcharging, it is therefore advisable to switch off the energy supply or to reduce it to an innocuous minimum when the maximum is reached, i.e. when the charging voltage stops rising. The rate of change becomes zero.
  • circuits can be constructed from discrete components, as a hybrid or as a monolithic iC, or their function can be implemented by the program of an arithmetic unit (process computer, microprocessor).
  • this also creates the possibility for the first time of designing the entire control circuit for battery charging as an independent component with only three connections.
  • the battery voltage is determined by various mechanisms.
  • Electrode cell potential Uo pressure and temperature dependent
  • the electrode overvoltage current and charge state dependent
  • Fig.1a shows the simplified equivalent circuit diagram of the battery.
  • the internal resistance is in series with the cell voltage Uo.
  • the internal resistance is composed of a portion Rv that characterizes the uncharged battery and the internal resistance Rii that characterizes the fully charged battery.
  • the capacitor C which acts in the center of the partial resistors and lies parallel to Rii and the cell voltage, allows both partial resistors and their behavior to be detected by changes in current or voltage or in their AC components.
  • Fig.1b shows the time course of the battery voltage Ua and charging current I with the associated rates of change dU / dt and dl / dt.
  • the battery voltage increases until a final value is reached, whereas the charging current decreases.
  • the rate of change (dU / dt, dl / dt) approaches zero.
  • Circuits for measuring charging current and battery voltage supply the arithmetic circuit with measurement-dependent f (U), f (I) signals. These are linked in the arithmetic circuit and an auxiliary variable (S) is formed.
  • S auxiliary variable
  • the rate of change can be determined, for example, in a differentiator (dS / dt) or by storage and difference formation. If the change (dS / dt) in the instantaneous value (S) becomes smaller than the setpoint, the charging current is interrupted or reduced.
  • the battery voltage (Ua) and the charging current which also occurs, for example, as a voltage drop (Um-Ua) at a current measuring resistor (Rm), are sampled at certain times (delay time), digitized and possibly converted to size S1 and stored. After the delay time, size S2 is calculated in the same way. If the rate of change, characterized by the difference between (S2-S1) and the delay time, is below a comparison value, the charging current switch is actuated.
  • Fig. 2. shows circuit variants with constant current charging.
  • the present invention switches off as soon as a minimum rate of increase in the battery voltage is no longer reached and not in the falling part of the voltage curve (FIG. 2a). Because the current is known for constant current charging, there is no need to measure it and it is sufficient to evaluate the rate of rise of the battery voltage.
  • the circuit design is therefore reduced to a constant current source, which in the simplest case can only be formed from a series resistor, the charging current switch and the battery in the charging circuit.
  • the measuring circuit switch-off logic
  • the charging current switch remains closed only as long as the output signal of the differentiator is above a reference value (setpoint) 1.
  • the power source is connected directly to the battery.
  • the retentive logic mentioned above taps the battery voltage curve and controls the power source.
  • FIG. 2D shows an embodiment variant according to claim 3 with constant voltage specification
  • the shutdown logic is in series between the voltage regulator and the battery. It contains a current transformer whose output signal is fed to a differentiator. The differentiated signal is fed to a comparator which opens the internal switch located in the main charging circuit and thus interrupts the charging current when the value falls below the comparison value.
  • the voltage regulator When switched on, the voltage regulator specifies the charging voltage, which therefore no longer has to be measured.
  • the current measurement can include again as a voltage drop across a resistor.
  • the shutdown logic can e.g. can be realized in a known manner from differentiators or with a microprocessor. (Fig.3b).
  • rechargeable batteries are only very frequently charged with pulsating current, such as that which arises from the rectification of the AC mains voltage.
  • FIG. 4 a, b show a profile of the battery voltage (Ua) and the charging current I with the pulsating alternating components (Uw, Iw) and the slow components (Ug, Ig) for trend detection.
  • the high internal resistance (Rvi) at the start of charging leads to a falling characteristic curve of the average battery voltage (Ug) and, if not taken into account, can lead to possible malfunctions for the detection of the switch-off time.
  • the method for taking these and other disruptive influences into account separates the DC (Ug, Ig) and AC components (Uw, Iw) from charging current I and battery voltage (Ua) by means of suitable circuits, such as differentiators and integrators or pulse-synchronous scanning, or digital arithmetic units, which can be processed together (FIG. 4c) or separately 4c.
  • suitable circuits such as differentiators and integrators or pulse-synchronous scanning, or digital arithmetic units, which can be processed together (FIG. 4c) or separately 4c.
  • 4c shows a circuit variant.
  • a current measuring circuit in the charging circuit such as. a current transformer which feeds the exchange component (Iw) and the DC component (Ig) to a computing circuit via a high-pass filter from the charging current-dependent signal f (I).
  • the battery voltage is also measured f (Ua) and fed separately to the arithmetic circuit by low and high pass filters into a constant f (üg) and an alternating component f (Uw).
  • the internal battery voltage is continuously calculated in the arithmetic circuit and compared with the switch-off criterion, and depending on this, the charging current is interrupted or reduced. 5th
  • a simplification of the technical implementation according to FIG. 4 can be achieved if the pulsating direct current is rectified by rectification from the mains alternating voltage and is zero in the current minimum. The voltage measured at this point in time is then equal to the internal cell voltage (Ui) due to the lack of voltage drops across the internal resistances of the battery (Rvi) and supply line.
  • the constant current is obtained from the constant mains alternating voltage by means of a series resistor Rv.
  • the minimum of the individual pulses (U min) is filtered out by means of a peak value detector (e.g. analog circuit, synchronous sampling, digital pattern analysis, etc.) and fed to the switch-off detection logic. which in turn controls the charging current holder. 6.
  • a peak value detector e.g. analog circuit, synchronous sampling, digital pattern analysis, etc.
  • Fig.6a shows as an example the regulated internal battery voltage (Ui) measured at zero current.
  • Fig. 6b shows the principle of operation of the method. using the example of a variant.
  • a controllable power source e.g. a switching regulator feeds the battery.
  • the battery voltage (Ua) is measured and the internal battery voltage is determined using the known current profile (fl). If there is a deviation from the setpoint, the current is adjusted accordingly.
  • FIG. 7 shows a possible solution.
  • the rate of voltage rise on or in the battery is determined, for example, by differentiating the battery voltage and fed to a comparator, which adjusts the current so that the differentiated value corresponds to the predetermined target value.
  • a microprocessor compares the current flow (I) from a voltage source to the battery with a predetermined value. If the current is less than the setpoint, a higher voltage is set on the voltage regulator. When the current is reached, the process is ended and the voltage remains set.
  • logic consisting of function and decision elements of analog or digital computing technology prevents, for example, that in FIG a logical OR function forces the switch-on as long as the signals of the switch-off criterion or the battery minimum voltage detector, or the discriminator for brief voltage dips, or the trend detection logic for falling battery internal resistance, which are also connected to the input of the OR circuit, are not all logic zero are.
  • Charging circuits usually require a large number of electronic assemblies, individual components and controllers which have to be adjusted.
  • a large number of the methods, principles and circuit variants presented in this document can be implemented from a few semiconductor components which can be accommodated in a single housing and thus form a new, independent component of power electronics.
  • 10a shows an example of a block diagram and FIG. 10b shows an embodiment in hybrid technology.
  • a single chip microcomputer for example, is used as a measuring and Control logic, a power transistor Tr as charging current controller and an internal voltage supply VCI housed and functionally connected.
  • the power connections of the power transistor are led to the outside as an input connection for supplying energy and as an output for connecting the battery.
  • the reference ground can be removed from the housing or can also be supplied via a separate connection.
  • Other connections can be made to signal the charging status, for example.
  • the entire circuit is housed in a housing and thus forms an independent component. Another exemplary embodiment is shown in FIG. 10c. The entire circuit is integrated on a semiconductor chip and accommodated in a standard housing with only 3 pins. Again, several connections can be provided to output additional signals.
  • a further simplification for the user is obtained if, in addition to the charge control circuit, the rectifier and possibly a switching regulator are combined to form a module.
  • Such a component can be designed with 4 connections and brings significant simplifications in the manufacture of battery chargers. (Fig.10d)
  • the regeneration of batteries requires repeated discharging and recharging.
  • this process is automated in that a sequence control MP alternately activates a charger or a charging circuit and charges the battery and then discharges it through a discharge circuit such as a current sink until a predefined discharge voltage is reached.
  • a sequence control MP alternately activates a charger or a charging circuit and charges the battery and then discharges it through a discharge circuit such as a current sink until a predefined discharge voltage is reached.
  • this process is repeated as many times as the discharge capacity increases. The increase in the discharge capacity can be determined, for example, by measuring the discharge current over time or the discharge time for a given discharge current. A variant of this is shown in FIG. 11. 12th
  • Battery chargers should be versatile and universally applicable.
  • the common arrangement of a charging and discharging circuit enables batteries to be checked for their function and capacity and, if necessary, regenerated.
  • the display of the amount of electricity to be charged or removed in Ah or as part of the battery capacity is an important aid for the user.
  • the automatic adjustment of charging current and charging voltage also allows laypersons through the function selection via a keyboard, switch or the like. optimally charge, test or regenerate any batteries.
  • 12 shows a possible embodiment variant.
  • a microprocessor is programmed so that the charge circuit or discharge circuit, which act jointly on the battery connection terminals (plug or the like), are activated functionally at the push of a button.
  • the current is continuously recorded via a current measuring circuit, calculated in the MP and shown on a display. 13th
  • a switch which takes the battery out of the series connection when fully charged or discharged and switches to a bypass line, so that the Circuit of the series circuit remains closed.
  • the switch is operated by a switching logic that works depending on the charge level of the battery.

Abstract

Process for charging accumulators and circuit versions for implementing said process. The charging state of a 100 % charged accumulator is determined by measuring the extreme value of the variation of the charging parameter, e.g. maximum voltage, minimum current, or minimum resistance, with time. The time at which this extreme value is reached can be used to control the charging operation. The extreme value can be detected by means of electronic analog-digital or computer circuits. These circuits can be produced by discrete or hybrid technology and can be integrated on a monolithic substrate.

Description

Verfahren und Schaltungsvarianten zum Laden von Akkumulatoren Method and circuit variants for charging accumulators
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ladung von Akkumulatoren sowie mögliche Schaltungsvarianten für dessen Realisierung.The invention relates to a method for charging accumulators and possible circuit variants for its implementation.
Stand der Technik:State of the art:
Die Problematik des Ladens von Akkumulatoren, insbesondere von gasdichten Ni-Cd-Accus ist dem Fachmann, wie den betroffenen Anwendern bekannt. Nach wie vor besteht ein großer Bedarf an einfachen und zuverlässig arbeitenden Acculadeschaltungen vor allem für die Sehnell-Ladung. Die Schwierigkeiten zur Erkennung des optimalen Abschaltzeitpunktes zur Erreichung der vollständigen Aufladung sowie zum Schutz vor Überladung ist in /1//2/ charakterisiert. Ebenso sind aus /1//2/ die bekannten Lademethoden und Schaltungen ersichtlich. Neuere Erfindungen auf diesem Gebiet (z.B. DE 3705222A1, DE 3440430A1, ...) betreffen Ausführungsvarianten oder Schaltungsdetails dieser Prinzipien. Kennzeichnend für nahezu alle Schaltungen ist, daß die Abschaltkriterien von fest vordefinierten Werten z.B. Ladeschlußspannung, Zellentemperatur bzw. -gradient, Ladungsmenge, u.dgl. abgeleitet werden.The problem of charging batteries, in particular gas-tight Ni-Cd batteries, is known to the person skilled in the art, as is known to the users concerned. There is still a great need for simple and reliable battery charging circuits, especially for Sehnell charging. The difficulties in recognizing the optimal switch-off time to achieve full charging and protecting against overcharging are characterized in / 1 // 2 /. The well-known charging methods and circuits can also be seen in / 1 // 2 /. Recent inventions in this field (e.g. DE 3705222A1, DE 3440430A1, ...) relate to design variants or circuit details of these principles. It is characteristic of almost all circuits that the switch-off criteria of predefined values e.g. Final charge voltage, cell temperature or gradient, amount of charge, and the like. be derived.
Neuheit:Novelty:
Die neue Erfindung grenzt sich von bekannten Verfahren dadurch ab, daß nicht ein bestimmter Wert, sondern der zeitliche Verlauf eines, oder mehrerer Ladeparameter (Spannung, Strom, Innenwiderstand), erfaßt und ausgewertet wird. Bei Konstantstromladung zeigt der Spannungsverlauf vor Erreichen der vollständigen Aufladung eine Zunahme und danach eine Abnahme. Es entsteht ein charakteristisches Maximum. Diese Tatsache war wohl hinlänglich bekannt, es wurde ihr aber bisher nicht die richtige Bedeutung beigemessen. So werden beispielsweise in /2/ Schaltungsvarianten vorgestellt, welche den Ladevorgang abbrechen, wenn bei Konstantstromladung, die Accuspannung sinkt.The new invention differs from known methods in that it is not a specific value, but rather the time course of one or more charging parameters (voltage, current, internal resistance) that is detected and evaluated. With constant current charging, the voltage curve shows an increase before full charge is reached and then a decrease afterwards. A characteristic maximum arises. This fact was well known, but so far it has not been given the correct meaning. For example, in / 2 / circuit variants are presented that interrupt the charging process when the battery voltage drops during constant current charging.
Der Nachteil dieses Verfahrens ist, daß prinzipiell bei fallender Kennlinie bereits-eine Überladung der Zellen auftritt und daß eine zuverlässige Funktion nur für mehrere gasdichte NiCd-Sinter-zellen in Reihenschaltung, welche vorgeladen sein müssen, gegeben ist.The disadvantage of this method is that, in principle, an overcharging of the cells already occurs with a falling characteristic curve, and that reliable function is only provided for several gas-tight NiCd sintered cells connected in series, which must be precharged.
Das Erreichen des Maximums kennzeichnet aber die vollgeladene Zelle und ist damit ein ideales Kriterium zur Steuerung von Batterieladegeräten, weil dieses Kriterium von der Zelltype, Exemplarstreung, Zellenanzahl, Temperatur, parasitären Spannungs abfallen und Umgebungseinflüssen, weitestgehend unabhängig ist.Reaching the maximum, however, characterizes the fully charged cell and is therefore an ideal criterion for controlling battery chargers, because this criterion is largely independent of the cell type, specimen spread, number of cells, temperature, parasitic voltage and environmental influences.
Das Maximum entsteht durch die Elektrodenüberspannung bei Gasung. Der nachfolgende Spannungsrückgang wird durch Übertemperatur und Druck verursacht und tritt bei offenen Zellen nicht auf. Die (stromabhängige) Spannung hat dabei einen maximalen Endwert erreicht der auch durch langanhaltende Energiezufuhr nicht mehr ansteigt (Maximum). Zum Schutz vor Überladung ist es daher zweckmäßig die Energiezufuhr dann abzuschalten oder auf ein unschädliches Mindestmaß zu verringeren, wenn das Maximum erreicht ist, d.h. wenn die Ladespannung nicht mehr ansteigt. Dabei wird die Änderungsgeschwindigkeit Null.The maximum is caused by the electrode overvoltage during gassing. The subsequent voltage drop is caused by excess temperature and pressure and does not occur with open cells. The (current-dependent) voltage has reached a maximum end value that no longer increases (maximum) even through long-term energy supply. To protect against overcharging, it is therefore advisable to switch off the energy supply or to reduce it to an innocuous minimum when the maximum is reached, i.e. when the charging voltage stops rising. The rate of change becomes zero.
Gleichwertige Aussagen bezüglich des Auftretens eines Extremwertes bei Voll-Ladung gelten auch für den Verlauf des Ladestromes (Minimum) bei Konstantspannung und des Innenwiderstands der Zelle(n). Der Patentantrag beschreibt daher Erfindungen zur Steuerung der Energiezufuhr beim Laden von Akkumulatoren zum Schutz vor Überladung und zur Verhinderung von Fehlfunktionen, verursacht durch Effekte die vom Ladezustand unabhängig sind sowie Schaltungsvarianten und Ausführungsvarianten zur technische Realisierung.Equivalent statements regarding the occurrence of an extreme value when fully charged also apply to the course of the charging current (minimum) at constant voltage and the internal resistance of the cell (s). The patent application therefore describes inventions for controlling the energy supply when charging batteries to protect against overcharging and to prevent malfunctions caused by effects which are independent of the state of charge, as well as circuit variants and design variants for technical implementation.
Fortschritt:Progress:
Neben den bereits erwähnten Vorteilen der Vermeidung von unvollständiger Ladung bzw. Überladung werden für die Erkennung des Extremums keine zusätzlichen Sensoren und zum Anschluß des Accus wird nur eine Zweidrahtleitung benötigt. Außerdem kann für verschiedene Akkus die gleiche Schaltungsanordnung verwendet werden und bedarf keines Abgleiches in der Produktion.In addition to the already mentioned advantages of avoiding incomplete charging or overcharging, no additional sensors are required for the detection of the extremum and only a two-wire line is required to connect the battery. In addition, the same circuit arrangement can be used for different batteries and requires no adjustment in production.
Damit wird der praktische Einsatz erleichtert und ein breites Anwendungsgebiet abgedeckt.This facilitates practical use and covers a wide range of applications.
Technische Realisierung:Technical realization:
Methoden zur Erkennung von Extremwerten (Minimum/Maximum) sind grundsätzlich als bekannt vorauszusetzen (Analog, Digital, Computer) und können der einschlägige Literatur entnommen werden.Methods for the detection of extreme values (minimum / maximum) are generally assumed to be known (analog, digital, computer) and can be found in the relevant literature.
Da es sich im vorliegenden Fall um sehr langsame Vorgänge mit nur sehr geringen Änderungen handelt, bietet sich die Anwendung eines Mikroprozessors mit ADC oder DAC und Comparator an. Prinzipiell kommen jedoch alle bekannten Schaltungen in Frage, die eine Erkennung des Extremwertes durch Differentiation, Spitzenwertmessung und Differenzbildung, Speichern und Vergleichen, o. dgl. ausführen.Since the present case involves very slow processes with only very minor changes, it is advisable to use a microprocessor with ADC or DAC and comparator. In principle, however, all known circuits are possible which carry out a detection of the extreme value by differentiation, peak value measurement and difference formation, storage and comparison, or the like.
Diese Schaltungen können aus diskreten Bauelementen, als Hybrid oder als monolithischer iC aufgebaut sein oder in ihrer Funktion durch das Programm eines Rechenwerkes (Prozessrechner, Mikroprozessor) realisiert werden.These circuits can be constructed from discrete components, as a hybrid or as a monolithic iC, or their function can be implemented by the program of an arithmetic unit (process computer, microprocessor).
Erfindungsgemäß wird damit außerdem erstmals die Möglichkeit geschaffen, die gesamte Steuerschaltung zur Acculadung als ein eigenständiges Bauelement mit nur drei Anschlüssen auszuführen.According to the invention, this also creates the possibility for the first time of designing the entire control circuit for battery charging as an independent component with only three connections.
Wohl ist die grundsätzliche Arbeitsweise und Funktion der oben angeführten Schaltungen und Baugruppen der Elektronik bzw. die erforderliche Programmiertechnik dem Fachmann durchaus geläufig, die Anwendung und Anordnung derselben zur Erkennung eines Extremwertes zur optimalen Steuerung (Abschaltkriterium) von Akkuladegeräten und die Ausführungsform ist jedoch neu und war nicht naheliegend.The basic mode of operation and function of the above-mentioned circuits and assemblies of electronics or the necessary programming technology are well known to the person skilled in the art, the use and arrangement of the same for the detection of an extreme value for optimal control (switch-off criterion) of battery chargers and the embodiment is new and was not obvious.
Ein weiteres Problem insbesondere bei NiCd Accus stellt der Kapazitätsverlust verursacht durch den Memory Effekt dar. Ein "Regenerieren" des Accus ist in vielen Fällen durch wiederholte Auf-und Entladung möglich. Dieser Vorgang ist sehr aufwendig. Durch die Automatisierung diese Manipulation ergibt sich ein wesentlicher Vorteil für den Benutzer. Einen zusätzlichen Vorteil und Fortschritt bietet die Kombination von mehreren Funktionen, insbesondere des Ladens, mit der automatischen Kapazitätsmessung und oder dem Regenerieren. Literatur :Another problem, especially with NiCd batteries, is the loss of capacity caused by the memory effect. In many cases, the battery can be "regenerated" by repeated charging and discharging. This process is very complex. By automating this manipulation there is a significant advantage for the user. The combination of several functions, in particular loading, with automatic capacity measurement and / or regeneration offers an additional advantage and progress. Literature:
/1/ General Electric: Nickel Cadmium Akkumulatoren./ 1 / General Electric: Nickel Cadmium accumulators.
Anwendungstechnisches Handbuch derApplication technology manual of
General Electric Plastics GmbH,General Electric Plastics GmbH,
Rüsselsheim, 1975Ruesselsheim, 1975
/2/ Retzbach,Ludwig : Akkus und Ladegeräte,/ 2 / Retzbach, Ludwig: Batteries and Chargers,
Modell Fachbuch ISBN3-7883-0142-2, Vilbig Verlag, 1985 Model reference book ISBN3-7883-0142-2, Vilbig Verlag, 1985
Nähere Beschreibung der Erfindungen:Detailed description of the inventions:
Die Akkuspannung wird durch verschiedene Mechanismen bestimmt.The battery voltage is determined by various mechanisms.
1. Elektroden Zellenpotential Uo (Druck u.Temp.Abhängig) 2. Die Elektrodenüberspannung (Strom u. Ladezustandsab.) 3. Den Innenwiderstand1. Electrode cell potential Uo (pressure and temperature dependent) 2. The electrode overvoltage (current and charge state dependent) 3. The internal resistance
Demnach gibt es 4 Ladezustandsbereiche (A-D)Accordingly, there are 4 charge status ranges (A-D)
A. Accu leer: hoher InnenwiderstandA. Accu empty: high internal resistance
B. Mittlerer LadezustandB. Medium state of charge
C. Accu voll: Elektrodenüberspannung steigt an, Gasung beginnt.C. Accu full: electrode overvoltage increases, gassing begins.
D. ÜberladungD. Overcharge
Fig.1a) zeigt das vereinfachte Ersatzschaltbild des Akkus.Fig.1a) shows the simplified equivalent circuit diagram of the battery.
In Serie mit der Zellspannung Uo liegt der Innenwiderstand. Der Innenwiderstand setzt sich zusammen aus einem Anteil Rv der den ungeladenen Akku charakterisiert und dem inneren Widerstand Rii der den vollgeladenen Akku kennzeichnet. Durch den Kondensator C, der im Mittelpunkt der Teilwiderstände angreift und parallell zu Rii und zur Zellspannung liegt, können beide Teilwiderstände und deren Verhalten durch Strom- Spannungsänderungen bzw. an ihren Wechselstromanteilen erfaßt werden.The internal resistance is in series with the cell voltage Uo. The internal resistance is composed of a portion Rv that characterizes the uncharged battery and the internal resistance Rii that characterizes the fully charged battery. The capacitor C, which acts in the center of the partial resistors and lies parallel to Rii and the cell voltage, allows both partial resistors and their behavior to be detected by changes in current or voltage or in their AC components.
Damit läßt sich auch die innere Akkuspannung (Ui) berechnen, die die Ladung genauer beschreibt als die Klemmspannung zwischen Anode u. Kathode.This can also be used to calculate the internal battery voltage (Ui), which describes the charge more accurately than the clamping voltage between the anode and the like. Cathode.
Die u.U. erforderliche Strom-Spannungsanderung ist zumindest immer im Einschaltzeitpunkt gegeben. Fig.1b) zeigt den zeitlichen Verlauf von Akkuspannung Ua und Ladestrom I mit den zugehörigen Änderungsgeschwindigkeiten dU/dt und dl/dt.The current-voltage change that may be required is at least always given at the time of switching on. Fig.1b) shows the time course of the battery voltage Ua and charging current I with the associated rates of change dU / dt and dl / dt.
Während der Ladezeit t steigt bis zum Erreichen eines Endwertes die Akkuspannung an, wogegen der Ladestrom sinkt. Beim Erreichen des Maximums der Ladespannung (Ua) bzw. des Minimums des Ladestromes (I) geht jeweils die Änderungsgeschwindigkeit (dU/dt, dl/dt) gegen Null.During the charging time t, the battery voltage increases until a final value is reached, whereas the charging current decreases. When the maximum of the charging voltage (Ua) or the minimum of the charging current (I) is reached, the rate of change (dU / dt, dl / dt) approaches zero.
Da sich insbesondere bei der offenen Zelle kein ausgeprägter Extremwert, sondern ein anschleichender Extremwert einstellt,wobei die Änderungsgeschwindigkeit nur sehr langsam gegen Null geht, ist es besser eine Schwelle für den Mindestwert der Änderungsgeschwindigkeit zu setzen, an dem die Abschaltung bzw.die Reduktion des Ladestromes erfolgt.Since, in particular with the open cell, there is no pronounced extreme value, but a creeping extreme value, with the rate of change going very slowly towards zero, it is better to set a threshold for the minimum value of the rate of change at which the cutoff or the reduction of the charging current he follows.
Fig.1c) zeigt eine Realisierungsvariante für das Ladeverfahren insbesondere nach Anspruch 1.1c) shows an implementation variant for the charging method, in particular according to claim 1.
Schaltungen zur Messung von Ladestrom und Akkuspannung führen der Rechenschaltung meßgrößenabhängige f(U),f(I) Signale zu. In der Rechenschaltung werden diese verknüpft und eine Hilfsgröße (S) gebildet. Vorzugsweise soll und kann in der Rechenschaltung der gemeinsame Trend von Spannungs-und Stromverlauf (zBsp. R=U/I) oder der Spannungsabfall am Innenwiderstand oder die Spannungsänderung bei Stromänderung berücksichtigt werden. Aus diesem zeitlich veränderlichen Momentanwert (S) kann die Änderungsgeschwindigkeit zum Beispiel in einem Differenzierglied (dS/dt) oder durch Speicherung und Differenzbildung ermittelt werden. Wenn die Änderung (dS/dt) des Momentanwertes (S) kleiner wird als der Sollwert, dann wird der Ladestrom unterbrochen oder reduziert.Circuits for measuring charging current and battery voltage supply the arithmetic circuit with measurement-dependent f (U), f (I) signals. These are linked in the arithmetic circuit and an auxiliary variable (S) is formed. The common trend of the voltage and current profile (for example R = U / I) or the voltage drop across the internal resistance or the voltage change when the current changes should and should preferably be taken into account in the arithmetic circuit. From this instantaneous value (S), which changes over time, the rate of change can be determined, for example, in a differentiator (dS / dt) or by storage and difference formation. If the change (dS / dt) in the instantaneous value (S) becomes smaller than the setpoint, the charging current is interrupted or reduced.
Fig 1d) zeigt eine andere mögliche Ausführungsform in Digital-oder Mikroprozessortechnik.1d) shows another possible embodiment in digital or microprocessor technology.
Die Akkuspannung (Ua) und der Ladestrom, welcher beispielsweise auch als Spannungsabfall (Um-Ua) an einem Strommeßwiderstand (Rm) auftritt, werden zu bestimmten Zeitpunkten (Verzögerungszeit) abgetastet., digitalisiert und möglicherweise in die Größe S1 umgerechnet und gespeichert. Nach der Verzögerungszeit wird auf die gleiche Art die Größe S2 berechnet. Wenn die Änderungsgeschwindigkeit, gekennzeichnet durch die Differenz von (S2-S1) und durch die Verzogerungszeit unter einem Vergleichswert liegt, wird der Ladestrom-schalter betätigt.The battery voltage (Ua) and the charging current, which also occurs, for example, as a voltage drop (Um-Ua) at a current measuring resistor (Rm), are sampled at certain times (delay time), digitized and possibly converted to size S1 and stored. After the delay time, size S2 is calculated in the same way. If the rate of change, characterized by the difference between (S2-S1) and the delay time, is below a comparison value, the charging current switch is actuated.
Fig. 2. zeigt Schaltungsvarianten bei Konstantstromladung.Fig. 2. shows circuit variants with constant current charging.
Im Gegensatz zu bekannten Verfahren erfolgt bei der vorliegenden Erfindung die Abschaltung sobald eine Mindestanstiegsgeschwindigkeit der Akkuspannung nicht mehr erreicht wird und nicht im fallenden Teil des Spannungsverlaufes (Fig.2a). Weil bei Konstantstromladung der Strom bekannt ist, erübrigt sich seine Messung und es genügt die Auswertung der Anstiegsgeschwindigkeit der Akkuspannung.In contrast to known methods, the present invention switches off as soon as a minimum rate of increase in the battery voltage is no longer reached and not in the falling part of the voltage curve (FIG. 2a). Because the current is known for constant current charging, there is no need to measure it and it is sufficient to evaluate the rate of rise of the battery voltage.
Fig. 2bFig. 2b
Die Schaltungsmäßige Ausführung reduziert sich daher auf eine Konstantstromquelle, die im einfachsten Fall auch nur aus einem Vorwiderstand gebildet werden kann, dem Ladestromschalter und dem Akku im Ladestromkreis. Der Meßkreis (Abschaltlogik) besteht aus dem Spannungsmesser dessen Ausgangssignal einem Differenzierer zugeführt wird. Der Ladestromschalter bleibt nur solange geschlossen, als das Ausgangssignal des Differenzierers über einem Refernzwert (Sollwert) 1 iegt.The circuit design is therefore reduced to a constant current source, which in the simplest case can only be formed from a series resistor, the charging current switch and the battery in the charging circuit. The measuring circuit (switch-off logic) consists of the voltmeter whose output signal is fed to a differentiator. The charging current switch remains closed only as long as the output signal of the differentiator is above a reference value (setpoint) 1.
Bei Steuerung der Stromquelle selbst, kann der Leistungsschalter eingespart werden (Fig.2c).When controlling the power source itself, the circuit breaker can be saved (Fig. 2c).
Fig. 2cFig. 2c
Die Stromquelle ist direkt an dem Akku angeschlossen. Die o. erwähnte Absehaltlogik greift den Akkuspannungsverlauf ab und steuert die Stromquelle.The power source is connected directly to the battery. The retentive logic mentioned above taps the battery voltage curve and controls the power source.
Bei Einsatz eines Mikroprozessors mit AD-Wandler, der die Abschaltlogik substituiert und Steuerung der Stromquelle ist zusätzlich wie bereits beschrieben, eine Bestimmung der Komponenten des Akkuersatzschaltbildes durch bekannte Variation des Stromes möglich (Fig.2d). Fig. 3 zeigt eine AusführungsVariante nach Anspruch 3 mit KonstantspannungsvorgabeWhen using a microprocessor with AD converter, which replaces the switch-off logic and controls the current source, it is also possible, as already described, to determine the components of the battery replacement circuit diagram by known variation of the current (FIG. 2D). 3 shows an embodiment variant according to claim 3 with constant voltage specification
Die Abschaltlogik liegt in Serie zwischen Spannungsregler und Akku. Sie beinhaltet einen Stromwandler dessen Ausgangssignal einem Differenzierer zugeführt wird. Das differenzierte Signal wird einem Vergleicher zugeführt der den im Hauptladekreis liegenden internen Schalter öffnet und damit den Ladestrom unterbricht wenn der Vergleichswert unterschritten wird.The shutdown logic is in series between the voltage regulator and the battery. It contains a current transformer whose output signal is fed to a differentiator. The differentiated signal is fed to a comparator which opens the internal switch located in the main charging circuit and thus interrupts the charging current when the value falls below the comparison value.
Der Ladestrom strebt dabei einem Minimum zu und di/dt geht gegen Null, wodurch die Abschaltung ausgelöst wird. (Fig.3a).The charging current tends to a minimum and di / dt approaches zero, which triggers the shutdown. (Fig.3a).
Der Spannungsregler gibt im eingeschalteten Zustand die Ladespannung vor, die daher nicht mehr gemessen werden muß. Die Strommessung kann u.a. wieder als Spannungsabfall an einem Widerstand erfolgen. Die Abschaltlogik kann z.B. in bekannter Weise aus Differenzierern oder mit einem Mikroprozessor realisiert werden . ( Fig.3b) .When switched on, the voltage regulator specifies the charging voltage, which therefore no longer has to be measured. The current measurement can include again as a voltage drop across a resistor. The shutdown logic can e.g. can be realized in a known manner from differentiators or with a microprocessor. (Fig.3b).
Fig. 4. Ladung mit pulsierendem Strom:Fig. 4. Charge with pulsating current:
Die Ladung von Akkus wird nur der Einfachkeit halber sehr häufig mit pulsierendem Strom, wie er beispielsweise aus der Gleichrichtung der Netzwechselspannung entsteht, durchgeführt.For the sake of simplicity, rechargeable batteries are only very frequently charged with pulsating current, such as that which arises from the rectification of the AC mains voltage.
Durch Verwendung eines pulsierenden Stromes ergeben sich aber mehrere Vorteile, die bisher nicht genützt wurden. Da die Zeitkonstante T=Rii*C (Fig.1) sehr hoch ist läßt sich beispielsweise aus dem Verhältnis von Wechselspannungsamplitude und Wechselstromamplitude der Innenwiderstand Rvi=Uw/Iw . (Fig.1) und die innere Spannung unter anderem nach U;=Ug-Ig*Rvi*Ui (Fig.l) berechnen. So zeigt mit zunehmender Ladung der Widerstand Rvi abnehmende Tendenz während der Widerstand Rii zunimmt und einem Grenzwert (Maximum) zustrebt, welcher den Vollzustand des Akkus kennzeichnet.By using a pulsating current, however, there are several advantages that have not previously been used. Since the time constant T = Rii * C (FIG. 1) is very high, the internal resistance Rvi = Uw / Iw can be determined, for example, from the ratio of the alternating voltage amplitude and alternating current amplitude. (Fig. 1) and calculate the internal stress using U; = Ug-Ig * Rvi * Ui (Fig.l). With increasing charge, the resistance Rvi shows a decreasing tendency while the resistance Rii increases and strives for a limit value (maximum) which characterizes the full state of the battery.
Fig. 4 a,b zeigt einen Verlauf der Akkuspannung (Ua) und des Ladestroms I mit den pulsierenden Wechselanteilen (Uw, Iw) und den langsamen Komponenten (Ug,Ig) zur Trenderkennung.4 a, b show a profile of the battery voltage (Ua) and the charging current I with the pulsating alternating components (Uw, Iw) and the slow components (Ug, Ig) for trend detection.
Der hohe Innenwiderstand (Rvi) zu Beginn der Ladung führt zu einer fallenden Kennlinie der mittleren Akkuspannung (Ug) und kann unberücksichtigt zu möglichen Fehlfunktionen für die Erkennung des Abschaltzeitpunktes führen.The high internal resistance (Rvi) at the start of charging leads to a falling characteristic curve of the average battery voltage (Ug) and, if not taken into account, can lead to possible malfunctions for the detection of the switch-off time.
Das Verfahren zur Berücksichtigung dieser und anderer störender Einflüsse führt erfindungsgemäß eine Trennung des Gleich- (Ug,Ig) und Wechselanteiles (Uw,Iw) von Ladestrom I und Akkuspannung (Ua), durch geeignete Schaltungen, wie beispielsweise Differenzierer und Integratoren oder pulssynchrone Abtastung, oder digitale Rechenwerke durch, die gemeinsam (Fig 4c) bzw. getrennt 4c weiter verarbeitet werden können. Fig.4c zeigt eine Schaltungsvariante.According to the invention, the method for taking these and other disruptive influences into account separates the DC (Ug, Ig) and AC components (Uw, Iw) from charging current I and battery voltage (Ua) by means of suitable circuits, such as differentiators and integrators or pulse-synchronous scanning, or digital arithmetic units, which can be processed together (FIG. 4c) or separately 4c. 4c shows a circuit variant.
Im Ladestromkreis liegt eine Strommeßschaltung, wie zB. ein Stromwandler, die aus dem Ladestromabhängigen Signal f(I) sowohl über ein Hochpaßfilter den Weschselanteil (Iw) als auch über ein Tiefpaßfilter den Gleichanteil (Ig) einer Rechenschaltung zuführt. Ebenfalls wird die Akkuspannung gemessen f (Ua) und durch Tief-und Hochpaßfilter in einen Gleich-f(üg) und Wechselanteil f(Uw) getrennt der Rechenschaltung zugeführt. In der Rechenschaltung wird fortlaufend die innere Akkuspannung berechnet und mit dem Abschaltkriterium verglichen, und abhängig davon wird der Ladestrom unterbrochen bzw. reduziert. 5.There is a current measuring circuit in the charging circuit, such as. a current transformer which feeds the exchange component (Iw) and the DC component (Ig) to a computing circuit via a high-pass filter from the charging current-dependent signal f (I). The battery voltage is also measured f (Ua) and fed separately to the arithmetic circuit by low and high pass filters into a constant f (üg) and an alternating component f (Uw). The internal battery voltage is continuously calculated in the arithmetic circuit and compared with the switch-off criterion, and depending on this, the charging current is interrupted or reduced. 5th
Eine Vereinfachung der technischen Realisierung nach 4 kann man erreichen wenn der pulsierende Gleichstrom durch Gleichrichtung aus der Netzwechselspannung konstant vorgegeben wird und im Stromminimum Null ist. Die zu diesen Zeitpunkt gemessene Spannung ist dann, wegen der fehlenden Spannungsabfälle an den Innenwiderständen von Akku (Rvi) und Zuleitung, gleich der inneren Zellspannung (Ui).A simplification of the technical implementation according to FIG. 4 can be achieved if the pulsating direct current is rectified by rectification from the mains alternating voltage and is zero in the current minimum. The voltage measured at this point in time is then equal to the internal cell voltage (Ui) due to the lack of voltage drops across the internal resistances of the battery (Rvi) and supply line.
Fig. 5a zeigt eine Realisierungsvariante.5a shows an implementation variant.
Der Konstantstrom wird im einfachsten Fall mittels Vorwiderstand Rv aus der konstanten Netzwechselspannung gewonnen Aus der Welligkeit der Akkuspannung wird mittels Spitzenwertdetektor (zBsp. Analogschaltung, synchrone Abtastung, digitale Musteranalyse, usw.) das Minimum der Einzelimpulse (U min) herausgefiltert und der Abschalterkennungslogik zugeführt, die ihrerseits den Ladestromsehalter steuert. 6 .In the simplest case, the constant current is obtained from the constant mains alternating voltage by means of a series resistor Rv. From the ripple of the battery voltage, the minimum of the individual pulses (U min) is filtered out by means of a peak value detector (e.g. analog circuit, synchronous sampling, digital pattern analysis, etc.) and fed to the switch-off detection logic. which in turn controls the charging current holder. 6.
Die Gasung bei Überladung wird verhindert wenn die innere Akkuspannung Ui unter einem vorgegebenen Wert bleibt. Die bekannte Konstantspannungsladung ist dafür nicht besonders geeignet weil u.a. der Spannungsabfall an diversen Innenwiderständen unberücksichtigt bleibt . Erfindungsgemäß wird eine Abhilfe dadurch geschaffen, daß die innere Akkuspannung (Ui) ermittelt und mit dem Sollwert verglichen wird und davon abhängig der Strom in der Weise nachgestellt wird daß die innere Akkuspannung auf den vorgegebenen Wert geregelt wird.Gassing in the event of overcharging is prevented if the internal battery voltage Ui remains below a predetermined value. The known constant voltage charge is not particularly suitable for this because, among other things. the voltage drop across various internal resistances is not taken into account. According to the invention, a remedy is created by determining the internal battery voltage (Ui) and comparing it with the setpoint value and, depending on this, adjusting the current in such a way that the internal battery voltage is regulated to the predetermined value.
Fig.6a. zeigt als Beispiel die ausgeregelte innere Akkuspannung (Ui) im stromlosen Zeitpunkt gemessen.Fig.6a. shows as an example the regulated internal battery voltage (Ui) measured at zero current.
Fig.6b. zeigt die prinzipielle Wirkungsweise des Verfahrens. am Beispiel einer Ausführungsvariante.Fig. 6b. shows the principle of operation of the method. using the example of a variant.
Eine steuerbare Stromquelle, wie z.B. ein Schaltregler, speist den Akku. Die Akkuspannung (Ua) wird gemessen und mit dem bekannten Stromverlauf (fl) wird die innere Akkuspannung ermittelt. Bei Abweichung vom Sollwert wird der Strom entspechend nachgestellt.A controllable power source, e.g. a switching regulator feeds the battery. The battery voltage (Ua) is measured and the internal battery voltage is determined using the known current profile (fl). If there is a deviation from the setpoint, the current is adjusted accordingly.
7.7.
In vielen Fällen ist es wünschenswert, Akkus verschiedener Kapazität mit optimaler Laderate aufzuladen. Üblicherweise muß dazu die Kapazität bekannt sein worauf der Ladestrom vom Benutzer eingestellt werden muß.In many cases it is desirable to charge batteries of different capacities with an optimal charging rate. Usually, the capacity must be known to which the charging current must be set by the user.
Eine automatische Anpassung des Ladestromes auf die Zellkapazität wird erfindungsgemäß dann erreicht, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit der Akkuspannung oder die innere Akkuspannung Ui (Fig.1) durch Stromstellung geregelt wird. Fig.7. zeigt eine mögliche Lösungsvariante. Die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit am oder im Akku wird beispielsweise durch Differenzierung der Akkuspannung ermittelt und einem Vergleicher zugeführt, der den Strom so einstellt, daß der differenzierte Wert dem vorgegebenen Sollwert entspricht.An automatic adaptation of the charging current to the cell capacity is achieved according to the invention when the rate of increase of the battery voltage or the internal battery voltage Ui (FIG. 1) is regulated by the current setting. Fig. 7. shows a possible solution. The rate of voltage rise on or in the battery is determined, for example, by differentiating the battery voltage and fed to a comparator, which adjusts the current so that the differentiated value corresponds to the predetermined target value.
8.8th.
Bei Konstantspannungsladung von Akkus in Serienschaltung muß üblicherweise die Ladespannung entsprechend der Zellenanzahl vorgegeben werden. Eine automatische Einstellung wäre vorteilhaft. Dieser Vorteil läßt sich erfindungsgemäß dadurch realisieren, daß zuerst die Ruhespannung gemessen wird und davon ausgehend die Ladespannung stufenweise oder kontinuierlich gesteigert wird, bis sich ein Mindeststrom einstellt. Eine Ausführungsvariante des Verfahrens zeigt Fig.8.With constant voltage charging of batteries in series connection, the charging voltage must usually be specified according to the number of cells. An automatic setting would be advantageous. This advantage can be realized according to the invention by first measuring the open circuit voltage and, starting therefrom, the charging voltage is increased in steps or continuously until a minimum current is established. An embodiment variant of the method is shown in FIG. 8.
Ein Mikroprozessor vergleicht den Stromfluß (I) aus einer Spannungsquelle zum Akku mit einem vorgegebenen Wert. Ist der Strom kleiner als der Sollwert dann wird am Spannungsregler eine höhere Spannung eingestellt. Wenn der Strom erreicht ist wird der Vorgang beendet und die Spannung bleibt eingestellt.A microprocessor compares the current flow (I) from a voltage source to the battery with a predetermined value. If the current is less than the setpoint, a higher voltage is set on the voltage regulator. When the current is reached, the process is ended and the voltage remains set.
9.9th
Während des Ladevorganges treten parasitäre Effekte auf, die zu Fehlfunktionen der Abschaltautomatik führen können. Erfindungsgemäß verhindert eine Logik bestehend aus Funktions und Entscheidungsgliedern der Analog-oder Digital Rechentechnik dadurch, daß wie beispielsweise in Fig. 9 dar gestellt, eine logische ODER-Funktion die Einschaltung solange erzwingt als die Signale des Abschaltkriteriums oder des Akkuminimalspannungsdetektors, oder des Diskriminators für kurzzeitige Spannungseinbrüche, oder der Trenderkennungslogik für fallenden Akkuinnenwiderstand, welche mit an den Eingang der ODER-Schaltung gelegt sind, nicht alle logisch Null sind.Parasitic effects occur during the charging process, which can lead to malfunctions of the automatic switch-off. According to the invention, logic consisting of function and decision elements of analog or digital computing technology prevents, for example, that in FIG a logical OR function forces the switch-on as long as the signals of the switch-off criterion or the battery minimum voltage detector, or the discriminator for brief voltage dips, or the trend detection logic for falling battery internal resistance, which are also connected to the input of the OR circuit, are not all logic zero are.
10.10th
Ladeschaltungen benötigen üblicherweise eine Vielzahl elektronischer Baugruppen, Einzelbauelemente und Regler welche abgeglichen werden müssen. Eine Vielzahl der in dieser Schrift vorgestellten Verfahren, Prinzipien und Schaltungsvarianten kann aus einigen wenigen Halbleiterbauelementen realisiert werden welche sich in einem einzigen Gehäuse unterbringen lassen und so ein neues eigenständiges Bauelement der Leistungselektronik formen. Fig. 10a zeigt beispielhaft ein Blockschaltbild und Fig.10b eine Ausführungsform in Hybrid-Technologie.Charging circuits usually require a large number of electronic assemblies, individual components and controllers which have to be adjusted. A large number of the methods, principles and circuit variants presented in this document can be implemented from a few semiconductor components which can be accommodated in a single housing and thus form a new, independent component of power electronics. 10a shows an example of a block diagram and FIG. 10b shows an embodiment in hybrid technology.
Auf einem Substrat sind z.B.ein Single Chip Mikrocomputer als Meß-u. Steuerlogik, ein Leistungstransistor Tr als Ladestromsteller und eine interne Spannungsversorgung VCI untergebracht und funktionell verbunden.A single chip microcomputer, for example, is used as a measuring and Control logic, a power transistor Tr as charging current controller and an internal voltage supply VCI housed and functionally connected.
Die Stromanschlüsse des Leistungstransistors sind als Eingangsanschluß zur Energiezufuhr und als Ausgang zum Anschluß des Akkus nach außen geführt. Die Bezugsmasse kann im einfachsten Fall vom Gehäuse abgenommen werden oder auch über einen eigenen Anschluß zugeführt werden.Weitere Anschlüsse können ausgeführt werden um zum Beispiel den Ladestatus zu signalisieren. Die gesamte Schaltung ist in einem Gehäuse untergebracht und formt so ein eigenständiges Bauelement. Ein anderes Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 10c Die gesamte Schaltung ist auf einem Halbleiter Chip integriert und in einem Standard Gehäuse mit nur 3 Pins untergebracht. Auch hier können wieder mehrere Anschlüsse vorgesehen werden um zusätzliche Signale auszugeben.The power connections of the power transistor are led to the outside as an input connection for supplying energy and as an output for connecting the battery. In the simplest case, the reference ground can be removed from the housing or can also be supplied via a separate connection. Other connections can be made to signal the charging status, for example. The entire circuit is housed in a housing and thus forms an independent component. Another exemplary embodiment is shown in FIG. 10c. The entire circuit is integrated on a semiconductor chip and accommodated in a standard housing with only 3 pins. Again, several connections can be provided to output additional signals.
Eine weitere Vereinfachung für den Anwender ergibt sich wenn zusätzlich zur Ladesteuerschaltung auch der Gleichrichter und eventuell ein Schaltregler zu einer Baugruppe zusammengefaßt werden. Ein derartiges Bauelement kann mit 4 Anschlüssen ausgeführt werden und bringt wesentliche Vereinfachungen in der Herstellung von Akkuladegeräten. (Fig.10d)A further simplification for the user is obtained if, in addition to the charge control circuit, the rectifier and possibly a switching regulator are combined to form a module. Such a component can be designed with 4 connections and brings significant simplifications in the manufacture of battery chargers. (Fig.10d)
11. Regenerieren11. Regenerate
Das Regenerieren von Akkus erfordert ein mehrmaliges Entladen und Wiederaufladen.The regeneration of batteries requires repeated discharging and recharging.
Erfindungsgemäß wird dieser Vorgang automatisiert indem eine Ablaufsteuerung MP wechselweise ein Ladegerät oder eine Ladeschaltung aktiviert und den Akku auflädt und dann durch eine Entladeschaltung wie z.B. eine Stromsenke entlädt bis eine vordefinierte Entladespannung erreicht wird. Ein weiteres Erfindungsmerkmal ist es, daß dieserVorgang so oft wiederholt wird, als die Entladekapazität zunimmt. Die Zunahme der Entladekapazität läßt sich feststellen, z.B. indem der Entladestrom über die Zeit oder die Entladezeit bei vorgegebenem Entladestrom gemessen wird. Eine Ausführungsvariante dazu zeigt Fig.11. 12 .According to the invention, this process is automated in that a sequence control MP alternately activates a charger or a charging circuit and charges the battery and then discharges it through a discharge circuit such as a current sink until a predefined discharge voltage is reached. Another feature of the invention is that this process is repeated as many times as the discharge capacity increases. The increase in the discharge capacity can be determined, for example, by measuring the discharge current over time or the discharge time for a given discharge current. A variant of this is shown in FIG. 11. 12th
Akkuladegeräte sollen vielseitig und universell anwendbar sein. Durch die gemeinsame Anordnung einer Lade- und Entladeschaltung können Akkus auf ihre Funktion und Kapazität geprüft und nötigenfalls regeneriert werden. Die Anzeige der zu ladenden bzw. entnehmbaren Strommenge in Ah oder als Teil der Akkukapazität stellt für den Anwender ein wichtiges Hilfsmittel dar.Battery chargers should be versatile and universally applicable. The common arrangement of a charging and discharging circuit enables batteries to be checked for their function and capacity and, if necessary, regenerated. The display of the amount of electricity to be charged or removed in Ah or as part of the battery capacity is an important aid for the user.
Die automatische Anpassung von Ladestrom und Ladespannung erlaubt es auch dem Laien durch die Funktionswahl über eine Tastatur, Schalter o.dgl. beliebige Akkus optimal zu laden, zu testen oder zu regenerieren. Fig. 12 zeigt eine mögliche Ausführungsvariante. Ein Mikroprozessor ist so programmiert, daß auf Tastendruck die Ladeschaltung bzw. Entladeschaltung, welche gemeinsam auf die Akkuanschlußklemmen (Stecker o.dgl.) wirken, funktionsgemäß aktiviert werden. Über eine Strommeßschaltung wird der Strom laufend erfaßt, im MP berechnet und auf einer Anzeige dargestellt. 13.The automatic adjustment of charging current and charging voltage also allows laypersons through the function selection via a keyboard, switch or the like. optimally charge, test or regenerate any batteries. 12 shows a possible embodiment variant. A microprocessor is programmed so that the charge circuit or discharge circuit, which act jointly on the battery connection terminals (plug or the like), are activated functionally at the push of a button. The current is continuously recorded via a current measuring circuit, calculated in the MP and shown on a display. 13th
Produktions und alterungsbedingt weisen Akkus unterschiedliche Kapazitäten auf. Die speicherbare Strommenge wird in Serienschaltung durch die Kapazität des schlechtesten begrenzt. Bei ungleichen Kapazitäten kommt es bei vollständiger Entladung zur Umpolung und irreversiblen Beschädigung des Schwächsten. Ein einzelnes Abschalten unterbricht den Stromfluß der ganzen Serienschaltung wodurch auch die andere Akkukapazität verloren geht.Production and aging-related batteries have different capacities. The amount of electricity that can be stored is limited in series by the capacity of the worst. If the capacities are unequal, reversal of polarity and irreversible damage to the weakest occur when the battery is completely discharged. A single switch-off interrupts the current flow of the whole series connection and the other battery capacity is also lost.
Erfindungsgemäß wird also nicht ein Abschalter sondern ein Umschalter vorgesehen der den Akku bei vollständiger Aufladung oder Entladung aus der Serienschaltung nimmt und auf eine Überbrückungsleitung umschaltet, sodaß der Stromkreis der Serienschaltung geschlossen bleibt. Der Umschalter wird von einer Schaltlogik betätigt die abhängig vom Ladezustand des Akkus arbeitet. Fig.13According to the invention, therefore, not a switch but a switch is provided which takes the battery out of the series connection when fully charged or discharged and switches to a bypass line, so that the Circuit of the series circuit remains closed. The switch is operated by a switching logic that works depending on the charge level of the battery. Fig. 13
14.14th
Einfachste Anwendung und höchste Zuverlässigkeit von Akkumulatoren wird erreicht, wenn die o.a. Schaltung jeden Akkumulator schützt und kein eigenes Bauelement darstellt. Auf Grund der Baugröße von Akkus und elektronischen Schaltungen steht die Möglichkeit des Einbaues bzw. Zusatzes außer Zweifel. Easiest use and highest reliability of accumulators is achieved if the above Circuit protects each accumulator and is not a separate component. Due to the size of batteries and electronic circuits, the possibility of installation or addition is beyond doubt.

Claims

Ansprüche Expectations
1 . Verfahren, Geräte und Schaltungs varianten zum Laden, insbesondere Sehnell-Laden, von Akkumulator-Batterien , in Einzel- oder Serienschaltung bei dem eine Abschaltung bzw. Reduktion der Energiezufuhr zur Verhinderung einer Überladung erfolgt, und bei dem als Kriterium für die Abschaltung hauptsächlich der zeitliche Verlauf von Ladestrom und Akkuspannung verwendet wird, wobei diese Signale automatisch gemessen werden oder eines der beiden in bekannter Weise vorgegeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß automatisch die Änderungsgeschwindigkeit von einer aus den meß-größen ableitbaren Kenngröße in ein meß-und regeltechnisch auswertbares Signal umgeformt und einer Vergleichsoperation zugeführt wird, welche in weiterer Folge eine Abschaltung bzw. Reduktion der Energiezufuhr bewirkt, wenn die Größe dieses Signals unter einem vorgegebenen Mindestwert liegt.1 . Processes, devices and circuit variants for charging, in particular Sehnell charging, of accumulator batteries, in single or series connection, in which the energy supply is switched off or reduced to prevent overcharging, and the main criterion for switching off is the time The course of charging current and battery voltage is used, these signals being measured automatically or one of the two being predetermined in a known manner, characterized in that the rate of change is automatically converted from a parameter which can be derived from the measured variables into a signal which can be evaluated by measurement and control technology, and a comparison operation is supplied, which subsequently causes a shutdown or reduction of the energy supply if the size of this signal is below a predetermined minimum value.
2. Verfahren, Geräte und Schaltungsvarianten nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß dem Akku ein konstanter Strom zugeführt wird und die zeitliche Zunahme der Ladespannung in das Signal zur Auslösung des Schaltvorganges umgeformt wird.2. The method, devices and circuit variants according to claim 1, characterized in that the battery is supplied with a constant current and the increase in time of the charging voltage is converted into the signal for triggering the switching process.
3. Verfahren, Geräte und Schaltungsvarianten nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Lade-spannung vorgegeben wird und die zeitliche Abnahme des Ladestroms in das Signal zur Auslösung des Schaltvorganges umgeformt wird. 3. The method, devices and circuit variants according to claim 1, characterized in that the charging voltage is predetermined and the decrease in time of the charging current is converted into the signal for triggering the switching process.
4. Verfahren, Geräte und Schaltungsvarianten zur Ladung von Akkus dadurch gekennzeichnet, daß dem Akku die Energie pulsierend zugeführt wird wobei einerseits die Pulsationen zur Erkennung des Abschaltkriteriums ausgefiltert werden und anderseits aus der Messung der pulsativen Stromspannungsänderung automatisch ein zusätzliches, dem Innenwiderstand des Ladekreises verwandtes, Signal abgeleitet wird, welches insbesondere einen Rückschluß auf die Zeilinnenspannung oder auf Kontaktfehler zuläßt und seinerseits den Schaltvorgang korrigierend oder übergeordnet beeinflußt.4. The method, devices and circuit variants for charging rechargeable batteries characterized in that the battery is supplied with the energy in a pulsating manner, on the one hand the pulsations for detecting the switch-off criterion are filtered out and on the other hand automatically an additional, related to the internal resistance of the charging circuit, from the measurement of the pulsative current voltage change, Signal is derived, which in particular allows a conclusion to the internal line voltage or contact errors and in turn influences the switching process correcting or superordinate.
5. Verfahren, Geräte und Schaltungsvarianten nach Anspruch 4 besonders gekennzeichnet dadurch, daß dem Akku ein pulsierender Gleichstrom zugeführt wird und der Verlauf der Akkuspannung im stromlosen Zeitpunkt bzw. im Stromminimum der Einzelimpulse gemessen wird.5. The method, devices and circuit variants according to claim 4 particularly characterized in that the battery is supplied with a pulsating direct current and the course of the battery voltage is measured at zero current or in the current minimum of the individual pulses.
6. Verfahren, Geräte und Schaltungsvarianten nach Anspruch 4 besonders gekennzeichnet dadurch, daß durch Änderung des pulsierenden Ladestromes die Akkuspannung, vorzugsweise die innere Akkuspannung,auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt wird und der Verlauf des mittleren Ladestromes den Schaltvorgang wie beispielsweise in Anspruch 3 bewirkt.6. The method, devices and circuit variants according to claim 4 particularly characterized in that by changing the pulsating charging current, the battery voltage, preferably the internal battery voltage, is regulated to a predetermined target value and the course of the average charging current causes the switching process, for example in claim 3.
7. Verfahren, Geräte und Schaltungsvarianten zum Laden von Akkumulatoren gekennzeichnet dadurch, daß eine Regelvorrichtung die Anstiegsgeschwindigkeit der Akkumulatorspannung oder die innere Akkuspannung durch Einstellung des Ladestroms auf einen von einer Führungsgröße vorgegebenen Wert regelt.7. The method, devices and circuit variants for charging accumulators, characterized in that a control device regulates the rate of increase of the accumulator voltage or the internal accumulator voltage by setting the charging current to a value specified by a reference variable.
8. Verfahren, Geräte und SchaltungsVarianten zur automatischen Einstellung der Ladespannung von Akkumulatoren, gekennzeichnet dadurch, daß eine Steuerschaltung die Spannung einer Spannungsquelle solange erhöht bis ein aus dem Ladestrom abgeleitetes Signal größer als ein vorgegebener Vergleichswert ist.8. The method, devices and circuit variants for automatically setting the charging voltage of batteries, characterized in that a control circuit increases the voltage of a voltage source for as long until a signal derived from the charging current is greater than a predetermined comparison value.
9. Verfahren, Geräte und Schaltungsvarianten nach Anspruch 1,2,3,4, besonders gekennzeichnet dadurch, daß eine Schaltlogik die Abschaltung verhindert, wenn die Akkuspannung oder die Abnahme des Innenwiderstandes unter einem vorgegebenen Wert liegt oder wenn kurzzeitige Spannungseinbrüche auftreten.9. The method, devices and circuit variants according to claim 1, 2, 3, 4, particularly characterized in that a switching logic prevents the switch-off when the battery voltage or the decrease in internal resistance is below a predetermined value or when brief voltage drops occur.
10. Ausführungsform von Steuerschaltungen zur Aufladung von Akkumulatoren bestehend aus mindestens einer Erkennungslogik zur Bestimmung des Abschaltzeitpunktes verbunden mit einem Stellglied zur Begrenzung des Ladestroms zum Schutz vor Überladung, gekennzeichnet dadurch daß die gesamte Funktionsgruppe als ein einziges Bauelement ausgeführt ist.10. Embodiment of control circuits for charging accumulators consisting of at least one detection logic for determining the switch-off time connected to an actuator for limiting the charging current to protect against overcharging, characterized in that the entire functional group is designed as a single component.
11. Verfahren und Schaltungsvarianten zum Regenerieren der Akkukapazität durch wiederholtes Laden und Entladen gekennzeichnet dadurch, daß eine Ablaufsteuerung diesen Vorgang automatisch ausführt und vorzugsweise so lange wiederholt als die Akkukapazität zunimmt. 11. The method and circuit variants for regenerating the battery capacity by repeated charging and discharging, characterized in that a sequence control executes this process automatically and preferably repeats as long as the battery capacity increases.
12 .12th
Gerät zum kontrollierten Laden und Entladen von Akkus gekennzeichnet dadurch, daß die jeweilige Funktion des Ladens oder Entladens über eine Befehlseingabeeinheit, wie beispielsweise eine Tastatur, eingeschalten wird und die zugeführte bzw. entnommene, durch geeignete Schaltungen automatisch gemessene Strommenge oder Energiemenge oder eine ihr verwandte Größe, auf einer Anzeige vorzugsweise numerisch und in elektrophysikalischen Einheiten oder als prozentualer Anteil der Akkukapazität dargestellt wird und oder zusätzlich mit einer Ablaufsteuerung zum automatischen Regenerieren des Akkus vorzugsweise nach Anspruch 11 ausgestattet ist, und oder mit Schaltungen ausgestattet ist, welche den Ladestrom und oder die Ladespannung automatisch an den jeweiligen Akku anpassen.Device for the controlled charging and discharging of rechargeable batteries characterized in that the respective function of charging or discharging is switched on via a command input unit, such as a keyboard, and the supplied or removed amount of current or energy, or a quantity related to it, automatically measured by suitable circuits , is preferably displayed numerically and in electrophysical units or as a percentage of the battery capacity on a display and or additionally with a sequence control for automatic Regenerating the battery is preferably equipped according to claim 11, and or is equipped with circuits which automatically adapt the charging current and or the charging voltage to the respective battery.
13.13th
Schaltungsanordnung zum Laden von Akkumulatoren mit einer Schaltautomatik zum Schutz vor Überladung oder vollständiger Entladung oder verkehrter Polung, gekennzeichnet dadurch, daß eine Schaltautomatik den Strompfad, durch den Akku von einem Pol des Akkus teilweise oder vollständig trennt und unter Umgehung des Akkus auf einen Nebenstrompfad umschaltet bzw. umlenkt der zum anderen Pol des Akkus führt.Circuit arrangement for charging accumulators with an automatic switch to protect against overcharging or complete discharge or incorrect polarity, characterized in that an automatic switch partially or completely disconnects the current path through the battery from a pole of the battery and bypasses the battery to a secondary current path or switches redirects to the other pole of the battery.
14.14th
Akkumulator mit Schutzschaltung und Ausführungsform derAccumulator with protective circuit and embodiment of the
Schaltungsanordnung nach Anspruch 13 gekennzeichnet dadurch, daß die Schaltung in einem Akkumulator oder Akkupaket eingebaut oder konstruktiv mit diesem verbunden ist.Circuit arrangement according to Claim 13, characterized in that the circuit is installed in a storage battery or battery pack or is structurally connected to it.
15.15th
Verfahren und Schaltungsanordnungen zum Betrieb von Akkus inMethods and circuit arrangements for operating batteries in
Serienschaltung gekennzeichnet dadurch, daß Einzelzellen oder Gruppen von Einzelzellen mit Schaltungen nach AnspruchSeries connection characterized in that single cells or groups of single cells with circuits according to claim
13 oder Ausführungen nach Anspruch 14 in Serie geschaltet werden. 13 or designs according to claim 14 can be connected in series.
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